Práctica 7

Práctica 7

Ley de Ampere.

Autor:
Lesli Aide Álvarez Millán.



Resumen:

El propósito de este experimento es el mantener un punto fijo, proyectado por un láser, utilizando una balanza de corriente y variando masas e intensidades de corrientes. Para esto se arma un dispositivo en el que aumentando poco a poco la masa en la balanza de corriente se tenga que variar la intensidad de corriente para mantener el punto en su lugar. Se midieron distintas intensidades de corrientes así como las masas que se utilizaron. Se graficaron los datos como la fuerza expresada en función de la intensidad de corriente. Dicha gráfica tiene una tendencia cuadrática. 

La segunda parte del experimento fue aplicarle una corriente eléctrica a un solenoide y a un tubo de cobre, con el fin de generar un campo magnético y al poner limadura de hierro sobre una hoja puesta previamente en el solenoide y el tubo, vimos las líneas de campo magnético generadas. Por último, vimos el campo magnético generado por un imán.

1.    Introducción

En este experimento se tienen dos alambres paralelos a los que se les aplica intensidades de corrientes, por lo que se ejerce una fuerza entre ellos dos. Dichos alambres están separados por una distancia d y cada uno de ellos transporta una intensidad de corriente i_a e i_b.

El campo magnético debido a la intensidad de corriente en el alambre a es B_a y justamente es la fuerza que se busca. Entonces la magnitud de B_a en cualquier punto del alambre b está dada como:

  (1)

donde µₒ es la permeabilidad del espacio libre y su valor es 4πx10^-7 T  m/A

Ahora se puede encontrar la fuerza que produce sobre el alambre b. La fuerza en una corriente está expresada como:

  (2)

Entonces la fuerza F_ba sobre el alambre b de longitud L debida al campo magnético B_a es el siguiente:

(3)

Como en este caso B_a y L son perpendiculares la ecuación (1) se puede reescribir como:

(4)

La dirección de la fuerza F_ba es la dirección que se tiene de LxBa, es decir hacia el alambre a.

Ahora usando el mismo procedimiento se puede encontrar la campo magnético y fuerza sobre el alambre a debido a la intensidad de corriente del alambre b. Se encontraría que dicha fuerza se encuentra dirigida hacia el alambre b. De aquí se concluye que ambos alambres con intensidad de corriente en forma paralela se atraen entre sí. Por otra parte, si las intensidades de corriente fuesen antiparalelas los alambres se repelerían, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. a) Corrientes paralelas en la misma dirección ejercen una fuerza atractiva entre sí a una distancia de separación d. b) Corrientes antiparalelas ejercen una fuerza repulsiva entre sí a una distancia de separación d.

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un "campo magnético". Los campos magnéticos suelen representarse mediante "líneas de campo magnético" o "líneas de fuerza". En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados, con un polo del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del mán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Las líneas del campo magnético describen de forma similar la estructura del campo magnético en tres dimensiones. Se definen: Si en cualquier punto de dicha línea colocamos una aguja de compás ideal, libre para girar en cualquier dirección, la aguja siempre apuntará a lo largo de la línea de campo. La forma del campo se puede ver en la figura 2.

Figura 2.Lineas de campo en un imán.

El campo eléctrico en un tubo forma círculos concéntricos a su alrededor. En cualquier punto, la dirección de B es tangente a la línea de campo en ese punto. El campo es grande donde las líneas están cerca una de otra (en la proximidad del alambre por ejemplo) y pequeño donde están más separados (distantes del alambre). Las líneas del campo magnético provenientes de las corrientes forman espiras continuas sin inicio ni fin. Para encontrar la dirección de las líneas de campo se utiliza la regla de la mano derecha: si escogiéramos al alambre en la mano derecha con el pulgar en dirección de la corriente, los dedos se enrollarían alrededor del alambre en dirección del campo magnético. Las líneas de campo magnético se muestran en la figura 3.

El comportamiento del campo magnético en un solenoide puede verse en la figura 4. Muy cerca del alambre el comportamiento magnético es casi el de  un alambre largo y recto donde las líneas de campo forman círculos concéntricos cerca de él. El campo tiende a cancelarse en los puntos situados entre alambres vecinos. La figura muestra que los campos provenientes de las espiras individuales del alambre se combinan para formar líneas que son paralelas más o menos al eje del solenoide en su interior. El campo se vuelve uniforme y paralelo al eje en el caso límite del solenoide ideal.

Figura 3.Campo magnético de un tubo recto.

Figura 4. Líneas de campo magnético de un solenoide.

 

2.    Desarrollo experimental

El dispositivo que se utiliza en este experimento se muestra en la figura 5. Se requiere un láser, un marco de pesas, un multímetro (marca Unigor con incertidumbre del 1%), una balanza de corriente, una variac, un transformador, un puente de diodos y sus respectivos cables.

El variac se conecta al transformador y éste se conecta al puente de diodos. Del puente de diodos sale un cable que se conecta al multímetro y otro cable que se conecta a la balanza de corriente. Enfrente de la balanza se coloca el láser, de manera de que el láser se refleje en el espejo de la balanza y dicho láser se refleje en la pared. Cabe recalcar que las intensidades de corrientes en los alambres tienen que ser antiparalelas, es decir que ejerzan una fuerza repulsiva entre sí.

Inicialmente se fija una distancia entre los dos alambres de la balanza (*** (0.01) cm). Dichos alambres tienen una longitud igual a *** (0.01) cm. Ahora se enciende el láser y en la pared se fija el punto reflejado por el láser. Después de esto, se coloca una masa en la balanza de corriente, por lo que el punto en la pared cambia de posición. Ahora se varía la intensidad de corriente de tal manera que el punto vuelva a estar en su posición original. Al lograr esto, se coloca otra masa y se repite el mismo procedimiento.

Posteriormente se utiliza la ecuación (4) para calcular la fuerza resultante.

Figura 5. Dispositivo utilizado en el experimento.
En la segunda parte del experimento, se utilizó un solenoide al cual con el fin de generar un campo magnético, se le aplicó una corriente (15V),   através de una fuente de poder, sobre el solenoide se colocaron varias hojas de papel blanco y se esparició limadura de hierro con un colador con el fin de que se notaran más las líneas de campo magnético generadas. Se realizó lo mismo para un tubo de cobre. Por último, se colocó una hoja sobre un imán con forma de herradura y se esparció limadura de hierro sobre éste.